面向儿童的科普动漫软件--消化系统虚拟漫游【开题报告+文献综述+毕业设计】.Doc

1、1毕业设计开题报告计算机科学与技术面向儿童的科普动漫软件消化系统虚拟漫游一、选题的背景与意义当前动漫游戏产业发展得越来越快，应用范围也在不断地扩大。游戏和教育相结合的例子也数不胜数，如在军事训练、手术操作仿真上等等。在游戏中将科普知识结合在里面，既赋予娱乐性，也赋予教育性。对于儿童这一群体来说，有趣的、具体的、立体的“游戏”更具有吸引力，更有利于其在潜移默化中获得知识。实现消化系统的虚拟漫游可以使细节扩大化，也使被教育者有亲身的沉浸感，对于儿童了解消化系统的常识是非常有利的。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题本课题研究的基本内容是面向儿童的科普动漫软件消化系统虚拟漫游，用交互式动画的形式，向

2、儿童讲解消化系统的知识，防止被鱼刺卡喉咙。建立一个虚拟消化系统场景，能在其中漫游，表现食物从口腔进入一直到消化完毕的全过程模拟，图形绘制卡通化，要表现咽喉，食管，胃的不同功能特点，加入多媒体音效。拟解决的主要问题有1、了解有关消化系统的知识，特别是消化系统的结构和进食时的过程；2、消化系统内部虚拟场景的建模；在建立场景中，需要向程序中导入三维模型。三维模型主要包括口腔、咽、食管、胃、小肠包括十二指肠、空肠、回肠和大肠包括盲肠、阑尾、结肠、直肠等简单模型。主要重点是建立漫游的场景消化系统内部的场景。3、场景中多媒体声音的插入；为了增加真实感，插入声音配合动画，插入的声音必须符合剧情和动画，并且来

3、自于现实生活。如液体流动声、摩擦声等。4、配合剧情发展的食物菜单、整体模型小窗口；在场景下方现实一个菜单，显示各种食物，如米饭、肉类、蔬菜、鱼等，点2击其中一种，就实现这个食物在消化系统的漫游。并且还有关于此类食品的营养成分的说明。5、漫游时的互动效果。漫游时，随着部位的变化，如从咽到食管，设置一个开关门，当虚拟角色从咽要到食管时，必须触动开关，开门才可以通过。三、研究的方法与技术路线1、查阅资料，了解消化系统的结构和消化系统进食时的过程。2、用3DMAX80对消化系统内外部进行建模。由于消化系统中各结构不是普通的几何结构，所以需要一些比较特殊的操作。3DMAX的技术已经比较成熟，网上的操作教

4、程也比较多，可以利用互联网的资源对复杂的结构进行建模。3、用辅助工具中的VRML97里的音频剪辑和触动感应器实现声音的加入，增加真实性。下载液体流动、摩擦、撞击等声音和动画结合起来，使消化系统更加逼真。4、用VRML脚本语言实现对菜单、小视窗的编程。配合漫游故事，使菜单出现在左下角，包括各类食物，选择一种，即可以进行漫游。5、漫游中设置一些类似门的进出口，触动门就会开关，用VRML脚本语言和3DMAX中的自动关键点实现。6、物体碰撞问题。在程序中，虚拟角色具有漫游功能，然而场景中各种物体，因此需要给出角色移动到其他物体处时能产生有效地碰撞，从而阻止角色做出和真实中不相符的行为。四、研究的总体安

5、排与进度1、开题准备（2010年12月15日左右）在学校规定的开题日期前，完成开题报告。对VRML进行初步的熟悉和学习。2、文献翻译在2011年2月1日完成。3、演示原型第一版2011年3月1日完成。包括必要的场景模型或程序片断，即消化系统内外部的模型，菜单显示的程序，互动时的声音，动画。34、演示原型第二版2011年3月20日前完成，根据指导教师的意见改进后的版本。完成小视窗显示的编程。5、演示原型第三版2011年4月15日完成。即包括一个基本成型的演示，而不是几个片断。插入指示性的声音，将所有模型、多媒体声音、动画整合到一起，实现一个完整的漫游。6、毕业论文的写作在2011年5月8日完成。

6、论文初稿2011年4月30日完成，根据演示原型的第三个版本，根据指导教师列出的论文提纲写出论文初稿。7、预答辩2011年5月13日完成，由指导教师组织，进行答辩前的一次演练。6正式答辩2011年5月15日完成应准备好一个答辩的POWERPOINT文件和程序演示,。五、主要参考文献1彭翠芳，郭克希，尹望吾计算机三维动画技术发展研究湖南电力，2002，22（3），11142何来坤,徐渊虚拟现实建模语言VRML及其应用J杭州师范学院学报自然科学版,2005,023刘腾红,黄静VRML建立一个真实的世界J计算机时代,1998,054苏勇,曾芬芳,盛阳WEB环境下的3D技术J江苏理工大学学报自然科学版,

7、2001,065胡珊鲁云灿杨春谭良三维教育游戏开发方法的研究J中国教育信息化，200876ANDREWKIRMSE编著沙鹰等译游戏编程精粹4M人民邮电出版社200597郭玉华网络游戏和教育融合的初探J考试周刊,2007,298梅晓辉,余美根在网络游戏中习得英语的可行性分析J科教文汇上旬刊,2009,029周颖张翀网络游戏的致瘾因素与教育游戏的发展J电化教育研究2010710CREYNOLDSFLOCKS,HERDS,ANDSCHOOLSVIRTUALREALITYBASEDBIOMOLECULAREDUCATIONCCOMPUTERGRAPHICSPROCEEDINGSOFACMSIGGRAP

8、H87ACMPRESS，ACMSIGGRAPH198711CREYNOLDSAMETHODOFCARTOONANIMATIONCGAMEDEVELOPERSCONFERENCE2000412LMKELLY,3DSMAX6BIBLE,HOBOKEN,NJWILEYPUBLISHING,INC,20045毕业设计文献综述计算机科学与技术寓教于乐用虚拟现实技术促进生物教育摘要游戏早已被用来作为一种工具，从理念建设到解决问题，被作为教学的重要题材。通过有趣的学习，学生可进一步发展他们学习的好奇心和兴趣。通过玩来学习是获取知识和技能的自然方法之一。随着信息通信技术的进步，人们日益认识到教学游戏程序是一个

9、基础学习的有效工具。我们正在发展虚拟现实增强生命科学学习上的教学游戏程序技术。特别是，虚拟现实的立体视角被应用在生产三维的如临其境的可视化效果上；虚拟现实运动跟踪是用来加强建模的工作的；并且虚拟现实交互也被整合到游戏接口中。关键词虚拟生物分子；寓教于乐；卡通动画；虚拟生物分子虚拟现实极限游戏有助于分子生物学的学习，能激发学生们分子生物学学习上的参与性与能动性。在生物学教育上，直观教具面临的一个主要的问题就是将题材的重要性和学生的学习兴趣连接起来的能力。在虚拟现实游戏中采用的方法是处理这个问题的一种尝试。通过创建一个游戏环境，指引学生从这个游戏相关联的一直贯穿到重要的蛋白质结构。随着游戏设备的纳

10、入，在学习过程中，玩家可以和虚拟生物分子世界有更好的相互作用。学生们可以用无风险的方式来重复地玩这个游戏，只要他们愿意，无论玩多少次都可以。生物模型基本上是一个计算引擎，主要关注的是蛋白质结构的建立和字符/头像设计。曲线曲面的非均匀有理B样条技术应用在蛋白质的支柱结构的建模上34。包括棍和球还有空间填充的不一样的渲染模式在蛋白质结构建模中进行了实施。对于游戏而言，蛋白质的支柱被映射到游戏场所。采用物理建模技术设计不同的人物或头像。通常，这些虚拟玩家可以身临其境地使用任何关键帧或动画骨架技术。多传感器运动跟踪系统可以用来实时地捕获全身运动。一个16个传感器离岸价的动作捕捉系统是用在此研究，并加上

11、玛雅软件提供的一个有效和高效的三维动画建模解决方案。在许多游戏场景中，碰撞检测起着至关重要的作用。为了加快检测过程，GPU技术可应用在配合特别设计的类似BSP等的数据结构上35。此外，动态声音建模也发展到模拟对应一个特定的位置和游戏速度的物理声音的变化的程度。特别是，蛋白质氨基酸和二级结构的信息被映射到生成一种在蛋白质游戏中成立的蛋白质音6乐。寓教于乐在动物世界里，通过玩来发展幼小动物的捕食能力是至关重要的。显然，对于人来说，玩也是一种人们学习的天然方式，特别是小孩4,57。对小孩来说，沟通的方式很少，所以他们一般把玩当作自我表达和社会行为的主要技术。人类的玩耍是一种充满趣味的自发性的活动。通

12、过玩耍，游戏者参与到模拟现实的行为中。尽管它是一种非常古老并且传统的方法，在教育界，“玩中学”模式仍在全面和系统的探索中。部分原因是缺乏有效的技术支持以及教育者不够注重10。随着近年来计算机科学与技术的进步，人们越来越意识到寓教于乐是基本学习的一种技术。目前，计算机游戏已经成为儿童文化的一部分11。基于游戏的有趣的学习软件，传统的沉闷的教学大纲可以放在更生动有趣的方式中来实施1214。麻省理工大学和微软正在共同地开发“游戏到教学”的项目，旨在概念地给下一代建立原型，这个原型是数学、科学、工程、人类学和社会科学上的互动的教育娱乐15。一个好的游戏设计来自于好的内容，绘图，颜色，动画制作以及音效。

13、他们提供了游戏的感觉，而感觉则为用户创造了现实主义。计算机仿真技术1618在游戏设计与开发中提供了一个重要的角色，用来对从商业到外科手术的各种应用进行学习1921。作为一项新兴技术，虚拟现实在设计、工程、手术规划与治疗、军事训练、飞行仿真等方面都有许多应用2225。虚拟现实是计算机整合系统，使用户能创造、想象并且和虚拟世界相互作用。通过立体的和可触的接口，它也会使用户沉浸在虚拟现实环境中。卡通动画传统二维动画人物有显著的表现。为了加强对人物的艺术影响和传授他们自己的个性，动画师常常风格化这些角色的外表。这种风格化可能随着时间、取景方向，他们的情绪或他们的姿势改变如此的角色的外表。这种风格化也被

14、应用到三维动画人物中。运用传统的二维方法到三维模拟中在动画师的部分要求相当的技术和努力工作。例如，在二维中画另一个姿势来改变一个角色的外观是相对简单的，但是在三维中改变一个角色的姿势是非常困难的。已被控制/操作的外观和参数的具体数字是巨大的。有人可能会尝试利用现有的动画和建模工具来修改三维对象，通过选择关键帧去匹配二维草图。这种方法是乏味的，而且可能非常昂贵。我们的目标是建立一个系统，去连接传统二维动画和三维角色动画的丰富的风格化。该系统旨在当将二维动画转变到三维动画人物，减少动画所担负的负担。我们提出了一个系统，7通过提供以输入的机制为基础的草图，充分利用了传统的技能培训和动画师的直觉。我们

15、为动画提供了注入视点相关风格化技术。视点相关的风格化允许动画师使角色自动响应视图中的方向变化。通常视点相关的几何RAD99技术允许这种风格化，然而，这里的视点相关模型的创建相当得麻烦。我们介绍了一个系统，它提供了一个更直观、更好的方法来表现视点相关的变形。对这种技术的主要缺点之一是，在视点相关模型创建过程中，用户要求的大量的人工干预。KKB02提出一个方法来自动地实现视点相关模型建立的某些方面。但是，该视图对齐和变形的建模技术使用的非常简陋和不直观。我们的系统允许的关键观点和看法，依赖模型的创建自动恢复。我们扩展技术，让骨骼变形，相对于潜在的骨骼变形运用网格变形。这使我们能够将正常的（即非视点

16、相关）动画与视点相关的动画融合在一起。总结我们呈现了我们在用游戏的方法用虚拟现实增强生物分子教育的工作。三维建模，立体可视化和游戏自然互动在我们教育游戏程序解决方案里整合在一起。我们能够虚拟现实的生物的教育游戏程序的解决方案有身临其境，费用低廉，可扩展的特点。分子生物学的学习可能受益于虚拟现实的教育游戏程序的解决方案，这就是希望，能激发学生学习生命科学的参与性和积极性。参考文献1CREYNOLDSFLOCKS,HERDS,ANDSCHOOLSVIRTUALREALITYBASEDBIOMOLECULAREDUCATIONCCOMPUTERGRAPHICSPROCEEDINGSOFACMSIGG

17、RAPH87ACMPRESS，ACMSIGGRAPH19872CREYNOLDSAMETHODOFCARTOONANIMATIONCGAMEDEVELOPERSCONFERENCE20003彭翠芳，郭克希，尹望吾计算机三维动画技术发展研究湖南电力，2002，22（3），11144王德才，杨关胜，孙玉萍DIRECTX3D图形与动画设计M第一版，人民邮电出版社，200755DAVIDMBOURG,GLENNSEEMANN游戏开发中的人工智能东南大学出版社，2006，57796JOHNDAVIDFUNGE著班晓娟，艾迪译人工智能在计算机游戏和动画中的应用8M，清华大学出版社200457ANDREWK

18、IRMSE编著沙鹰等译游戏编程精粹4M人民邮电出版社，200599本科毕业设计（20届）面向儿童的科普动漫软件消化系统虚拟漫游10摘要【摘要】随着互联网与计算机的快速发展，很多新的技术被推出，并不断地改进，以满足用户的要求。虚拟现实实现了丰富互联网、增强交互性的目标，一经推出就受到了很多的关注。本文中运用了三维虚拟漫游技术，通过3DSMAX和VRML工具，为人体的消化系统进行了建模，形成了一个虚拟的消化系统场景。低龄儿童可以通过漫游这个虚拟的消化系统，了解消化系统的构成以及一些相关的常识。这种寓教于乐的三维互动的形式更加形象，更具有吸引力。【关键词】3DSMAX；VRML；消化系统11ABST

19、RACT【ABSTRACT】WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINTERNETANDCOMPUTERS,MANYNEWTECHNOLOGIESAREINTRODUCEDANDCONTINUALLYIMPROVEDTOMEETUSERREQUIREMENTSINTERNETVIRTUALREALITYTOACHIEVEARICH,ENHANCEDINTERACTIVETARGETS,ONCEINTRODUCEDTOBYALOTOFATTENTIONTHISPAPERUSEDTHETHREEDIMENSIONALVIRTUALROAMINGTECHNOLOGY,THROUGH3DS

20、MAXANDVRMLTOOLSFORMODELINGTHEBODYSDIGESTIVESYSTEM,DIGESTIVESYSTEMTOFORMAVIRTUALSCENEYOUNGCHILDRENCANROAMTHEVIRTUALDIGESTIVESYSTEM,TOUNDERSTANDTHECOMPOSITIONOFTHEDIGESTIVESYSTEMANDSOMERELEVANTKNOWLEDGETHISENTERTAININGFORMOFINTERACTIONISMORETHREEDIMENSIONALIMAGEMOREATTRACTIVE【KEYWORDS】3DSMAXVRMLDIGEST

21、IVESYSTEM12目录摘要10ABSTRACT11目录121课题研究的目的和意义1311虚拟现实技术概述13111虚拟现实技术发展史13112虚拟现实技术特点15113虚拟现实技术的价值1712虚拟现实技术应用18121虚拟现实技术应用现状19122虚拟现实技术应用前景23123虚拟现实技术在教育领域的应用2313本文研究的主要内容262三维虚拟场景的设计28213DSMAX简介2822消化系统知识准备2923场景设计30231场景组成30232场景绘制323虚拟漫游和互动的实现4231VRML简介4232动画及互动设计43321动画及互动剧本设计43322动画及互动实现4533声音效果实

22、现45331声音剧本设计46332声音互动实现484软件的运行效果4941运行环境说明4942演示效果图495结束语5451本文获得的结论5452感悟和体会54参考文献55致谢错误未定义书签。附录56131课题研究的目的和意义11虚拟现实技术概述虚拟现实（VIRTUALREALITY，VR）技术，是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，为创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，从而大大推进了计算机技术的发展。VR技术的特点在于，由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通

23、过计算机构成的三维空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。VR技术实时的三维空间的表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境感受，将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状。它不但为人机交互界面开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程大规模的数据可视化提供了新的描述方法，同时，它还能为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察的事物的运动变化规律，提供极大的便利。VR技术一经问世，人们就对它身临其境的真实感和超越现实的虚拟性的追求，以及建立的个人能够沉浸其中、进出自如

24、并具有交互作用的虚拟世界，产生了浓厚的兴趣。近几年，VR技术不但已开始在军事、医学、设计、房地产、考古、艺术、娱乐等诸多领域得到越来越广泛的应用，而且还给社会带来了巨大的经济效益。因此，有关人士认为20世纪80年代是个人计算机的时代；90年代是网络、多媒体的时代；而21世纪初则将是VR技术的时代。1这一部分将从虚拟现实技术的发展史、特点、价值三个发面来对虚拟现实技术进行介绍。111虚拟现实技术发展史虚拟现实的渊源可以追溯到40多年前。1962年，美国专利号3,050,870发布了MORTONHEILIG的一项题为“全传感仿真器”，它是第一个虚拟现实视频设备。在HEILIG完成其发明的时候，没有

25、人能意识到它所代表的技术发展方向。从政府、RCA、MGM到好莱坞，到私营企业，没有人想投资他的发明。HEILIG也设计了一个头戴式电视。这一设计被IVANSUTHERLAND继承和发展。1965年，14IVANSUTHERLAND提出“THEULTIMATEDISPLAY”的概念。SUTHERLAND相比HEILIG的进步在于，SUTHLAND意识到可以用计算机生成虚拟场景，代替摄像机拍摄的模拟图像，并开始设计这样的“场景生成器”（图形加速器的先驱）。早期的图形生成器大约于1973年由EVANS和SUTHERLAND研制成功。这方面的研究引起了美国军方的兴趣。由于飞机模拟器可能花费数百美元，而

26、且只能为特定的机型设计，当那个机型过时后，该飞机的仿真器也变倍淘汰了。如果仿真器能做再通用平台上，飞机型号的改变可能只需要进行少量软件上的更新。20世纪70年代和80年代早期，美国军方投入大量的经费开展了大量有关“飞行头盔”和军用现代仿真器的研究。随着国防资金的削减，这方面的研究资助大量地减少，一些研究开始从军用转向民用，促使VR技术在更广泛领域的发展。NASA是对现代仿真感兴趣的另一个美国政府部分，他们需要仿真器来训练宇航员。因为实际生成一个与外太空或者遥远星球相似的环境很难或者根本不可能。1981年，在一小笔经费的支持下，他们生成了一个机遇LCD的HMD原型，并命名为虚拟显示环境显示器（V

27、IVED）。NASA科学家把SONY公司生产的产品“WATCHMAN”TV进行了改装，在LCD前安装了特殊的光学镜头，用于把图像聚焦到眼睛相近的位置。NASA科学家继承了DECPDP1140主计算机、由EVANS和SUTHERLAND设计的PICTURESYSTEM2图形计算机和POLHEMUS非接触类跟踪器，研制出了第一个虚拟现实系统。1985年之后，SCOTTFISHER加入该项目，他把新型的传感手套集成到仿真器中。手套最先是由THOMASZIMMERMAN和JARONLANIER作为一个非程序员使用的虚拟编程接口开发的。进入20世纪90年代，虚拟现实研究热潮转移到民间的高科企业。研究出第

28、一套数据手套的JARONLANIER成为销售虚拟现实产品的第一家商业公司VPL公司的总裁。该公司销售的第一套数据手套被命名为DATAGLOVES，如图11所示。15图11DATAGLOVES虚拟现实（VIRTUALREALITY，VR）也是由JARONLANIER在1989年创造的一个新词。虚拟现实通常是指采用头盔显示器、数据手套等一系列新型交互设备构造出的用以体验或感知虚拟境界的一种计算机软、硬件环境，用户使用这些高级设备以自然的技能（如头的转动、身体的运动以及人类自然语言等）向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。其他方面，标准化的虚拟现实建模语言（

29、VIRTUALREALITYMODELINGLANGUAGE，VRML）为在INTERNET上构建可共享、可互换的一个虚拟环境奠定了很好的基础，VRML本身也由早期的VRML10发展到VRML20，再发展到VRML97，现在还在不断发展中。分布式交互仿真标准化工作也由早期的SIMNET发展到分布式交互仿真DIS，再发展到如今的高层体系结构HLA。虚拟现实系统已由单击系统发展到分布式虚拟现实系统，现在人们研究的比较热门的是支持协同工作的分布式虚拟现实系统，即协同虚拟现实系统。即由过去只支持多人共享，发展到需要支持多人互相感知、协同操作等位目的的协同感知。112虚拟现实技术特点PHILIPPECO

30、IFFET曾在1993年世界电子年会上发表的“VIRTUALREALITYSYSTEMSANDAPPLICATIONS”一文中，提出一个“VR技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实具有三个突出的特征交互性（INTERACTIVITY）、沉浸感（IMMERSION）和构想性（IMAGINATION），也被人16们称为三个“I”特性。13如图12。下面将分别对3个特性进行介绍。图123个“I”特性（1）交互性交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。这种交互的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能

31、，如同在真实环境中一样，与虚拟环境中的对象进行交互。比如，在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，用户可以体验到虚拟现实系统的交互并随着用户头部的运动，不断更新新的视点新的场景，实时地显示给参观者。用户可以在虚拟故宫中任意走来走去，甚至可以用虚拟手去抓取虚拟场景中的物品。并且在拿起一件“物品”时，同时可以感受到物品的重量，手也会有握着东西的感觉。虚拟现实系统的最大特点在于它与用户的直接交互性。这种交互性虽然只是一个技术上的变化，但是自它出现后，改变了计算机界的一些观念“以计算机为主题”的看法主见被人们所抛弃，大多数人开始接受“人是信息环境的主体”的思想。过去，人们只能通过键盘、鼠标与计算机环境中

32、一维、二维数字信息发生交互作用。现在，VR技术可以让我们通过专用的交互设备和人类的自然技能，与多维化信息的环境发生交互，从而使人机交互达到一个新的境界。（2）沉浸感沉浸感又被称为临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。VR技术最主要的技术特征就是使用户具备一种在计算机环境中的沉浸感，即让用户觉得主角是计算机系统所创建的虚拟环境中的一部分，使人由观察者变为参与者，能全身心地投入计算机实践，并沉浸其中。想象一下，当我们戴上头盔，骑上特制的自行车，然后感到被虚拟景17物所包围，看到沿途不断变化的风景，感受吹来的凉风，甚至还闻到了路边的花香；当我们“骑”到不平坦的路面时，可以感受到车

33、身的颠簸；遇到上坡时，特制自行车脚踏板中的力反馈装置又将使我们感受到额外的阻力一切感受都如同现实世界一般。但是，摘下头盔，你会发现自己还是在自行车上，一步都没有动。这就是VR技术沉浸感给我们带来的感受。沉浸感被认为是虚拟现实系统的性能尺度，导致“沉浸感”的原因是用户对计算机化境中虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。多感知性、自主性、图像中的深度信息（是否与用户经验一致）、画面的视野（是否足够大）、实现跟踪的时间或空间响应（是否实时）、以及交互设备的约束程度（用户是否适应）都会影响到沉浸感。（3）构想性人类在许多领域面临着越来越多的前所未有的但是又必须解决和突破的问题，例如，载人航天

34、、核试验、核反应堆维护、气象及自然灾害预报、医疗手术的模拟与训练以及多兵种军事联合训练与演练等。如果按照传统方法解决这些问题，将花费巨额的资金，投入巨大的人力，消耗非常长的时间，甚至还会承担一定的风险。VR技术的产生与发展，为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径。所以说，VR技术并不只是一种媒介或者一个高层终端用户界面，它的应用能解决人类在工程、医学、军事等方面的很多需求。而所有要考虑的关键问题及时如何开发针对虚拟现实的应用并寻找合适的场合和对象，即如何发挥人类的创造力和构想力（又称想象力）。适当的应用对象加上充分的想象力可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。虚拟现实系统

35、的应用是虚拟现实与设计者并行操作，为发挥它们的创建性而设计的。过去，人只能从定量计算为主的结果中得到启发而加深对事物的认识。现在，借助VR技术，人们有可能从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理想的认识，从而深化概念、产生新意和构想，主动寻求、探索信息，而不是被动地接收，这也就进一步地依赖和体现了虚拟现实的创意和构想性。113虚拟现实技术的价值视觉领域中，虚拟现实技术可以追溯到18世纪欧洲出现的全景画。进入20世纪后，人们进一步发展出全景式电影、创建体验剧场等，强烈地表达了人类超越时空的梦想和追求。直至20世纪末出现的多媒体计算机系统，才真正具有了综合处理数据和文字、图形和图像、音频和视频

36、等多种信息的完善功能。通过利用并集成这些高性能的计算机软、硬件，并使之18与各类先进的传感器和高级外围设备相连接，人们才有可能创建一个使介入者具有身临其境的沉浸感和完善的交互性能，并能帮助和启发人类想象力的三维信息空间，即创建一个比较完备的虚拟现实系统。如上所述，环境沉浸感是指用户作为主体存在于虚拟环境中所感受到的真实程度，也可以通俗地理解为“身临其境”，这表示用户不仅仅以敏锐的双眼和聪慧的大脑感知虚拟环境，更是要以完整的生物个体融入虚拟系统。通过这种融入，作为生物体的各种生理活动，如视觉、听觉和触觉等感知行为以及喜悦、悲伤与恐惧等心理反应，都将得到充分表达。理想的虚拟环境应该能达到是用户难分

37、真假的程度，实现更逼真的照明和音响效果等。从这种意义上看，沉浸意味着体验，以为这形势和逻辑的结合、认知与感知的统一，意味着“可传二不可授，可得而不可见”的个性化体验过程。而这种体验，本质上也是一种特殊的人类实践。如果说沉浸意味着体验，那么体验的目的终将落实于对环境的操作与改造。这种基于沉浸式体验的操作与改造，正是人类与环境发生交互的过程。人机可交互式指用户对环境内的对象的可操作程度以及从环境得到的反馈等自然属性。具体地说，虚拟环境将生成的用以仿真现实世界的图像、音响乃至触觉、嗅觉等信息作用于人的感官，并通过传感器跟踪测试人的行动和反应；用户则通过交互实际感知并响应虚拟环境。在接受虚拟环境提供的

38、各种感官信息的同时，人类基于过去的经验、现时的体验以及虚拟系统的输出，经过判断和决策而对环境进行操纵和控制，由此改变了用户仅仅作为单纯接受者的被动状态。虽然目前看来，交互技术距离人类的梦想还有很大差距，但是发展的速度是非常快的。我们相信，虚拟现实技术的进一步发展将会创造一个更加和谐的人机环境。虚拟现实中人与虚拟环境的交互，本质上意味着它不是预设的，而是生成的；不是因循的，而是创新的。空间想象力所要表达的正是虚拟现实的这一秉性。入股偶说沉浸是使人具有真实感并获得体验的根本，交互是实现人机和谐的关键，那么空间想象力则是辅助人类进行创作性思维、充分发挥主观能动性的基础。可以说，环境沉浸感、人机交互以

39、及空间想象力的有机结合，使虚拟现实技术达到了一个更高的层次，成为了富有创新内涵的高级认知工具。2512虚拟现实技术应用虚拟现实早期应用集中在军事仿真系统和航天领域；现在在科学计算可视化、建筑漫游、19产品设计、教育、培训和娱乐等领域都有广泛应用。当前，计算机与现代社会各方面的紧密结合，将使虚拟现实成为计算机系统的一种基本特征。68本节将从虚拟现实应用现状、应用前景以及虚拟现实在教育领域的应用来对虚拟现实技术应用进行介绍。121虚拟现实技术应用现状虚拟现实目前主要在军事、建筑、工业设计、娱乐等领域有较成熟的应用。虚拟现实技术目前在军事领域有很大的运用。近日英国国防部向外界公开了全世界最大和最精确

40、地模拟作战训练系统“合成兵战术训练师”，该系统由170辆全面联网的高技术战车模拟器组成，全面革新了装甲战斗集群的战术仿真训练。美国航天航空局和美国陆军也拥有多个使用虚拟现实技术的仿真训练系统，如图13和14。图13美国军队。迄今为止最广泛最成功的严肃游戏。这个最初作为招募的工具。20图14训练模拟器。尽管有最初的评估者的怀疑，美国军队还是证明这是一种有效的军事训练模拟器。比如，玩过这个游戏的步枪射程部分的士兵在现实生活中的步枪射程获得了更好的分数。美国军队游戏的发展和广泛的发布产生了思想上在非娱乐领域方面视频游戏潜规则的大变革。它也引发了关于如何推进游戏技术的艺术状态以支持未来娱乐和严肃的游戏

41、的讨论。那些玩数字游戏长大的人的经验表明，以游戏为中心的研究和教育课程可以提供许多积极的效益。在建筑领域，不仅仅是建筑设计阶段，还能在实际工程完成后很好的展示建筑物。在现代城市建设中，设计人员更关心的是建筑的整体设计效果。利用虚拟现实技术在设计阶段就可以动态的、可视的、多方位的展现建筑物的外貌、地理环境和辅助设施，设计人员可以在虚拟建筑物中漫游，来查看自己的设计是否合理得当，为建筑的设计带来了很直观的体验和很大的帮助。而在实际工程完成后，为了使更多的游客能够直观的，真实的，身临其境的了解建筑物，虚拟现实技术也有着不可替代的作用。在智慧城市、数字城市概念提成为热点这今天，虚拟现实技术也将有更为广

42、泛的应用。图15为数字城市夜景展示。21图15数字城市夜景虚拟现实技术在娱乐领域的应用应该是大家众所周知的。特别是在网络游戏和影视方面。网络游戏的使人沉迷的特点也一度让虚拟现实在这方面的应用备受争议。但是不得不承认的是，网络游戏充分地体现了虚拟现实的3个“I”的特性。与计算机、其他玩家实时地交互，在虚拟游戏场景中深深的沉浸感，以及既丰富又极具吸引力的剧情，这些都是网络游戏广受欢迎的原因。通常，游戏都采用了第一人称的视角，根据玩家的操作进行打怪，升级等动作，见图16。2216网络游戏场景另外，虚拟现实在影视方面的应用也越来越多。不仅仅在于前期制作时的特效应用，还体现在后期地展示上，比如3D影院，

43、见图17。图173D影院23122虚拟现实技术应用前景目前仍有许多领域有待或正在开发，如造形术、精神病学、教学、戏曲、人工智能、机器人学、模拟仿真、艺术设计、时装、信息检索及销售等。在短短的时间内，虚拟现实已失去了面向问题的技术形象，正在应用于人类探索的各个领域，虚拟现实技术的成功与否除临场感、浸入、空间感和交互方式外，与系统的可靠性、易使用性、费用、实际的副作用以及效率有重大关系，这些方面的改进都将促进虚拟现实的进一步发展。计算机硬件技术、网络技术及多媒体技术的融合与高速发展使得VR技术获得长足的发展，使VR技术能在INTERNET上得以实现和发展。目前，网站使用的均为二维图像与动画网页，而

44、在网站上采用VRML，则可以设计出虚拟现实三维立体网页场景和立体景物。利用VR技术可以制造出一个逼真的“虚拟人”，为医学实习、治疗、手术及科研做出贡献，也可以应用于军事领域而设计一个“模拟战场”来进行大规模的高科技军事演习，既可以节省大量费用，又使部队得到了锻炼。在航空航天发射中，也可以制造一个“模拟航天器”，模拟整个航天器生产、发射、运行和回收的全过程。VR技术还可以应用于工业、农业、商业、教学和科研等方面，其应用前景非常广阔。123虚拟现实技术在教育领域的应用虚拟校园是指从INTERNET、VR技术、网上虚拟社区和3S技术的发展角度，对现实大学三维景观和教学环境的虚拟化和数字化，是基于现实

45、大学的一个三维虚拟环境，用于支持现实大学的资源管理、环境规划和学校发展。虚拟校园在很多高校都有成功的例子，如浙江大学、清华大学、上海交通大学、北京大学、中国人民大学、山东大学、西北大学、西南交通大学、中国海洋大学等，都采用VR技术构建了虚拟校园。网络VR（VIRTUALREALITY）技术的用用，使我们可以仿真校园环境。因此，虚拟校园是VR技术与网络教育早期的具体应用，图18是北京林业大学的虚拟校园。24图18虚拟校园VR在学校教育中的应用较多，特别是理工科类课程的教学，尤其在建筑、机械、物理、生物、化学等学科有很大突破。它不仅适用于课堂教学，使其更形象生动，也适用于互动性试验中。VR技术在仿

46、真领域方面，特别是交互性仿真方面尤为突出，如西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用，开发出了一系列有国际水平的计算机仿真和虚拟现实应用产品，在此基础上，还开发了虚拟现实培训系统、交互式仿真系统。中国科技大学运用VR技术，开发了几何光学设计平台，它是全国第一套基于虚拟现实的教学软件。它用计算机制作的虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的试验仪器，具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。另外，虚拟现实在远程教育系统、特殊教育、技能培训等方面也有应用。游戏早已被用来作为一种工具，从理念建设到解决问题，被作为教学的重要题材。通过有趣的学习，学生可进

47、一步发展他们学习的好奇心和兴趣。目前，越来越多的应用将教育和游戏结合起来，采用寓教于乐的方式来达到更好的教育效果。这里，将详细介绍虚拟现实在生物教学方面的应用。25用虚拟现实游戏学习生物分子结构的问题。这种生物教学游戏程序解决方案，突出立体可视化，三维建模和游戏互动，它被开发出来让学生学习氨基酸，螺旋，折叠，和其他蛋白质结构信息。例如以生物游戏或者简单的生物极限游戏的极限运动概念为基础的虚拟现实的生物游戏设计，见图19和110。图19生物极限游戏滑板（上）和滚轴运转（下）26图110新加坡科学中心在登革热病毒蛋白上的虚拟漫游的展示传统上，生物教育依赖于课堂教学和潮湿实验室实验。在课堂教学中，木

48、、金属或塑料材料制成的扩大的物理模型经常被用来作为教学辅助。不幸的是，这个受到物理生产的数量有限的生物模型的限制。由于复杂的三维性质，学习蛋白质的结构对学生来说不是一件简单的事，尤其是对低龄的儿童。910随着虚拟现实技术援助，可以为蛋白质结构的学习创建一个身临其境的三维环境。以身临其境的虚拟现实的环境为基础，设计一些游戏更能有效地辅助儿童学习。不仅是蛋白质，还有很多微观的世界，我们可以借助虚拟现实技术，构建一个虚拟的环境，让学习者们以第一人称的角色深入微观世界漫游，比如人体的消化系统。还记得大话西游里紫霞仙子进入孙悟空的体内的那个场景吗紫霞仙子可以从他的嘴中进入到孙悟空的体内，然后近距离的观察

49、他的心脏。虚拟现实正是可以做到这样的效果，学习者可以在人体内漫游，靠自己的感官以及一些和场景内物体的互动来获得认知。这样，儿童在学习过程中就从完全接收型转变成了主动探索型，可以达到更好的学习效果。13本文研究的主要内容本文主要对人体的消化系统进行建模，并用3DSMAX和VRML实现了消化系统的虚拟漫游。下面就来介绍各个章节的主要内容。27第一章重点介绍课题研究的目的和意义。在这一章中又分3个小节进行说明，分别是虚拟现实技术概述，虚拟现实应用，三维建模工具和WEB3D技术。第一节首先介绍了虚拟现实技术的发展史，并介绍了虚拟现实技术的三个“I”特征，然后又阐述了虚拟现实技术的价值。在第二节中主要介绍虚拟现实的应用现状、前景以及在教育领域的应用。第二章是三维虚拟场景的设计。这章内容可以分为3节，分别是3DSMAX简介，消化系统知识准备，场景绘制。其中第一节中对3DSMAX进行了介绍，作为场景绘制的基础，第二节对消化系统相关知识进行了介绍。最后第三节从场景组成和场景绘制两方面对场景设计作了说明。第三章是虚拟漫游和互动的实现，包括VRML简介、动画及互动设计和声音效果实现。这个章节是实现虚拟漫游的关键一章，是所有互动的设计所在。主要包括各个场景中的动画声音设置。第四章是软件的运行效果，包括运行环境说明和部分重要演示画面。通过演示截图来验证软件的运行效果。第五章是结束语，包括本文获